Dụng cụ hàn ma sát khuấy hay còn gọi là chốt hàn là thành phần vô cùng quan trọng cho quá trình hàn ma sát khuấy.
Hình 2.9: Cấu tạo của dụng cụ hàn ma sát khuấy
Dụng cụ hàn cấu tạo gồm bốn phần sau:
- Chuôi: Phần dùng để lắp vào trục quay của máy và cũng góp phần tạo moment xoắn, tạo lực quán tính giúp dụng cụ đi tới dễ dàng hơn.
- Vai dụng cụ: Tiếp xúc với bề mặt phôi khi hàn, sinh nhiệt do ma sát giữa hai
bề mặt tiếp xúc, khống chế vật liệu,… ép vật liệu.
- Đầu khuấy: làm nhiệm vụ đâm xuyên vào vật liệu hàn, cắt nguồn kim loại tại mối hàn và di chuyển vật liệu đó từ trước ra sau dụng cụ khi dụng cụ đi tới, khuấy vật liệu từ đỉnh đầu cắt lên phần vai dụng cụ.
- Đỉnh đầu khuấy: Tạo nhiệt do ma sát với phần gần với mép dưới của vật hàn. Lượng nhiệt này và lượng nhiệt do ma sát giữ vai dụng cụ với bề mặt vật liệu cộng với lượng nhiệt do quá trình biến dạng dẻo sẽ làm mềm vật liệu xung quanh đầu khuấy.
Hiện nay, dụng cụ này đã và đang được phát triển rất nhiều trên thế giới tại các nước đang phát triển – nơi mà công nghệ hàn ma sát khuấy được xem là phổ biến:
- Dụng cụ Skew-Stir
- Dụng cụ Whorl
- Dụng cụ Triflute
2.3.1. Dụng cụ Skew-Stir
Được phát triển tại Viện Hàn quốc tế. Theo đó, mặt vai của công cụ nằm xiên với trục đầu chốt, nhưng lại vuông góc với trục máy (hình 2.10, 2.11a).
Hình 2.10: Hình dạng dụng cụ Skew-StirTM [4]
Các đầu dò được cắt 1 phần để nó không đối xứng (hình 2.11b) giúp dòng nguyên liệu lưu thông dễ dàng hơn, làm tăng tỉ lệ khối lượng động so với tĩnh khối lượng mối hàn. Tỉ lệ này có nghĩa trong việc giảm sự hình thành khoảng trống trong mối hàn. Chính
vì điều đó, công cụ này thực sự quá phù hợp để xử lý trong hàn ma sát khuấy. Hình 2.11c thể hiện quá trình khuấy kim loại của công cụ. Sơ đồ nguyên lý hoạt động được
mô tả ở hình 2.11.
Ưu điểm của đầu khuấy xoắn ốc so với đầu khuấy hình trụ là tỷ lệ thể tích quét so với thể tích đầu khuẫy xoắn ốc là 1,8/1 trong khi đầu khuấy hình trụ có tỷ lệ 1,1/1 (khi hàn tấm dày 25 mm).
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc của dụng cụ Skew-StirTM [4]
2.3.2. Dụng cụ Whorl
Được phát triển tại Viện Hàn quốc tế vào năm 2012-2013. Công cụ bao gồm vai
có hình thìa và đầu dò hình côn, kết hợp lưỡi xoắn ốc trên thân côn để dễ dàng khoan sâu vào vật liệu. Khoảng cách của các lưỡi cắt này rộng hơn độ dày của lưỡi nhằm tăng cường dòng nguyên liệu. Công cụ này cho phép hàn hợp kim với tiết diện dày (25 đến 75mm) trên một lần chạy, vì nó cung cấp ma sát cực kỳ tốt, gia nhiệt cao vào dòng vật liệu nhờ thiết kế khá đặc biệt của đầu dò.
Hình 2.13: Hình dạng dụng cụ WhorlTM [5]
Các chốt hàn xoắn ốc giảm 60% khối lượng di chuyển của một đầu khuấy hình trụ đường kính tương tự. Giảm khối lượng dịch chuyển cũng giảm tải đi qua, cho phép tốc độ chốt hàn di chuyển nhanh hơn. Sự khác biệt chính giữa đầu khuấy nón cụt và đầu khuấy xoắn ốc là thiết kế của các rãnh xoắn trên bề mặt đầu khuấy. Trong trường hợp đầu khuấy xoắn ốc rãnh xoắn lớn hơn ren ngoài, các dãy xoắn hoạt động như một mũi khoan tạo ra một chuyển động đi xuống dễ dàng. Biến thể của đầu khuấy xoắn ốc bao
gồm hình ô van (a), dạng mái chèo (b), ba mặt phẳng (c), ba mặt lõm (d), thay đổi hình dạng xoắn ốc và tăng bước xoắn, góc xoắn (e). Các biến thể của dụng cụ [6].
Hình 2.14 Các biến thể khác nhau của công cụ WhorlTM [7]
Ưu điểm của đầu khuấy xoắn ốc so với đầu khuấy hình trụ là tỷ lệ thể tích quét
so với thể tích đầu khuẫy xoắn ốc là 1,8/1 trong khi đầu khuấy hình trụ có tỷ lệ 1,1/1 (khi hàn tấm dày 25 mm).
2.3.3. Dụng cụ Triflute
Được phát triển gần đây cũng tại Viện Hàn quốc tế. Giống như Skew-StirTM, tỉ lệ khối lượng động và tĩnh cao hơn các công cụ bình thường khác. Cuộc khảo sát tại TWI chỉ ra rằng Triflute tăng 100% tốc độ di chuyển ngang và giảm 20% lực dọc trục. Hình 2.17 và 2.18 chỉ ra cấu tạo thiết kế của công cụ TrifluteTM .
Được phát triển gần đây cũng tại Viện Hàn quốc tế. Giống như Skew-StirTM, tỉ lệ khối lượng động và tĩnh cao hơn các công cụ bình thường khác. Cuộc khảo sát tại TWI chỉ ra rằng Triflute tăng 100% tốc độ di chuyển ngang và giảm 20% lực dọc trục. Hình 2.17 và 2.18 chỉ ra cấu tạo thiết kế của công cụ Triflute .
Hình 2.15 Hình dạng dụng
cụ TrifluteTM [9]
Hình 2.16 Thiết kể của dụng
cụ TrifluteTM [8]
Ngoài các rãnh xoắn ốc, đầu khuấy chứa ba rãnh lớn cắt các qua rãnh xoắn ốc. Các rãnh cắt lớn làm giảm 70% khối lượng dịch chuyển của một đầu khuấy hình trụ đường kính tương ứng và làm tăng biến dạng ở dòng kim loại hàn. Ngoài ra, TrifluteTM rãnh cắt có thể tích quét tỷ lệ thể tích đầu khuấy 2,6/1 (khi hàn tấm dày 25 mm).